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4 · 第2學期系統生物學生物網路

交互作用體

Interactome

難度 4 · 專業systems-biologymolecular-biology

交互作用體繪製是後基因組時代最重要的系統生物學目標之一,其完備性直接決定了 network medicine 和藥物開發的預測能力。

完備性估計與偏差校正

目前人類 PPI 圖譜嚴重不完整且帶有系統偏差(ascertainment bias):熱門蛋白質(如 p53, EGFR)研究最多,「長尾」蛋白質少有互動被報導。Rolland et al.(Cell, 2014)開發 stochastic sampling framework 估計 recall/precision:HI-II-14(~14,000 binary interactions)在 well-studied pairs 上的 recall 約 15%,推算全基因組二元 PPI 空間約 ~300,000 對。

計算預測方法

  • 同源轉移(Interolog mapping):若物種 A 中蛋白質 a₁-a₂ 有互動,其在物種 B 中的同源蛋白 b₁-b₂ 可能也互動。適用於從模式生物推廣到人類,但假陽性高。
  • 結構預測AlphaFold-Multimer(Evans et al., 2022)可預測蛋白質複合體結構,interface residue 分析推斷互動可能性。Burke et al.(Nat Biotechnol, 2023)用 AF-Multimer 對 ~17,000 人類蛋白質做系統性 docking,預測了 ~700,000 對可能互動。
  • 機器學習:Sequence-based 方法(PIPR, D-SCRIPT)使用預訓練蛋白質語言模型(ESM-2)嵌入 + cross-attention 預測 PPI,AUC > 0.90。Graph-based 方法將已知 PPI 作為圖結構,用 GNN link prediction 推斷缺失邊。

動態交互作用體

傳統 interactome 是靜態快照,但實際互動隨細胞週期、刺激、組織而異。時間解析 AP-MS(如 Hein et al., Cell, 2015 在有絲分裂不同階段收集 PPI)揭示 >30% 互動是條件依賴的。單細胞 PPI(proximity ligation assay + scRNA-seq readout)是前沿方向但尚未成熟。

Edgotype 與精準醫學

Sahni et al.(Cell, 2015)系統性測試 ~2,000 個已知疾病突變對 PPI 的影響,發現 ~60% 的致病突變會選擇性破壞部分互動(edgetic perturbation),而非完全喪失所有互動。這意味著疾病機制需要在 edge 層級而非 node 層級理解。衍生應用:edgotype-aware 藥物設計——開發只恢復特定 disrupted edge 的 PPI stabilizer(如 tafamidis 穩定 transthyretin 四聚體界面)。

資料庫與標準:STRING(綜合分數整合多種證據)、BioGRID(>2M interactions)、IntAct(PSI-MI 標準格式)、HuRI(系統性二元互動參考)。

文獻:Luck et al. (2020) Nature 580:402-408 / Sahni et al. (2015) Cell 161:647-660 / Menche et al. (2015) Science 347:1257601.

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